Des chercheurs ont utilisé des simulations numériques pour confirmer les observations de tourbillons quantifiés dans l’hélium superfluide à l’aide de nanoparticules de silicium, améliorant ainsi la compréhension des fluides quantiques et des supraconducteurs
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Les chercheurs ont observé les vortex qui se forment dans l’hélium superfluide en y projetant des nanoparticules de silicium par ablation laser. Après avoir observé les modèles de diffusion de la lumière sur les nanoparticules de silicium, les scientifiques de l’Université métropolitaine d’Osaka ont effectué une simulation massive de la dynamique des vortex quantiques qui a confirmé que les tourbillons et boucles de nanoparticules observés étaient causés par des vortex quantiques. Ces travaux ouvrent de nouvelles possibilités dans la recherche optique pour d’autres propriétés quantiques de l’hélium superfluide, telles que la manipulation optique de vortex quantifiés en raison de la forte interaction entre la lumière et les nanoparticules de silicium.
Les règles de la mécanique quantique peuvent sembler très étrangères ; les particules peuvent agir comme des ondes et les ondes peuvent agir comme des particules. Un comportement quantique étrange ne se trouve normalement qu’à une très petite échelle. Cependant, lorsque certains matériaux, comme l’hélium-4, sont refroidis à des températures très basses, “l’ondulation” des particules a des effets apparents même à l’échelle macroscopique.
L’hélium “surfondu” est un exemple de condensation de Bose-Einstein, où les ondes représentant les atomes se chevauchent jusqu’à ce que l’ensemble du fluide agisse comme une seule particule massive. Ce processus n’a pas d’analogue classique et est un système utile pour tester les théories de la mécanique quantique, car la transition vers un superfluide dans l’hélium-4 se produit à des températures relativement accessibles. Cependant, il est toujours nécessaire de pouvoir visualiser le mouvement du superfluide.
Maintenant, une équipe de chercheurs a utilisé des nanoparticules de silicium pour aider à visualiser les caractéristiques de l’hélium superfluide, semblable à sauter des pierres à travers une rivière, pour aider à visualiser l’écoulement de l’eau. L’une des propriétés particulières de l’hélium superfluide est que tout mouvement de rotation ne peut se produire que sous la forme de tourbillons quantifiés. Ce sont de minuscules tourbillons discrets qui transportent chacun une quantité fixe de moment cinétique. Les scientifiques ont utilisé les “pierres” de nanoparticules pour étudier le processus de reconnexion des tourbillons, dans lequel des lignes de tourbillons fusionnent et échangent leurs parties. Parce que la lumière se disperse sur les nanoparticules, les lignes de vortex vers lesquelles elles sont attirées étaient clairement visibles.
Makoto Tsubota, chercheur à l’Université métropolitaine d’Osaka, a dirigé l’équipe simulant le comportement observé des nanoparticules de silicium. “Nous avons effectué la simulation numérique de tourbillons quantifiés adaptée au cas des expériences. Les tourbillons simulés étaient les mêmes que dans les observations ! Cet accord confirme fortement que ce que nous avons réellement observé était le mouvement de tourbillons quantifiés”, s’est exclamé le professeur Tsubota.
De plus, le professeur Tsubota a noté: “Un vortex quantifié est un exemple typique de défauts topologiques. Des défauts topologiques apparaissent dans divers systèmes tels que l’hélium superfluide, les atomes froids, les supraconducteurs, les cristaux liquides, la cosmologie, etc. La présente découverte ouvrira une nouvelle voie pour étudier des défauts topologiques dans ces différents systèmes.”
Source de l’histoire :
Matériaux fourni par Université métropolitaine d’Osaka. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.
